∪．D．C．624．191．8【624．131．53＋．54 西松建設技報VOL．20
膨張性地山のトンネルニ次覆エの設計
DesignofTunnelLininginSqueezingGround
北川 隆★
TakashiKitagawa 坂口 秀一★
ShuichiSakaguchi
要 約
鍋立山トンネル中工区の32km620m〜32km760m付近の約140m区間は，掘削後の地山 の押し出しにより一次支保が変形余裕量以上に変状を来し，対策工として施工した増吹・増 枠によって必要二次覆工断面が侵された状況であった．このため，当該区間については縫い
返しが計画されていた．
しかし，地山の押し出し性が強いため，縫い返し作業によって地山を乱すと再び大きな荷 重を受けることが予想された．また，工程の制約から縫い返し区間を極力短くすることが要 求された．そこで，二次覆工の最小巻厚を20cmとすることで，縫い返し延長を減少させる こととした．これを受けて，巻厚20cmで標準二次覆工巻厚30cmと同等の耐力を有する構
造検討を行った．
（富山方）
日 次
§1．はじめに
§2．検討条件
§3．検討結果
§4．実施工への反映
§5．おわりに
図−1北陸北線概略図
代町〜大島村を結ぶ全長9116．5mの単線トンネルである．
当社は中工区の延長3327mを施工したが，強大な膨張 性地庄に悩まされ続け，特に中央部の645m区間は，掘削 に10年の工期を要した（図一2参照）．このような状況下 で，縫い返し部の二次覆工の形状について種々の検討が なされた結果，以下のように決定された．
①レールレベルを120mm下げる（図−3参照）．
§1．はじめに
北越北線は，図一1に示すとおり上越線の六日町より
十日町市，松代町を経て，信越本線の犀潟に至る延長
59．4kmの鉄道である．
鍋立山トンネルは，この路線のほぼ中央に位置し，松
★土木設計部設計課
膨張性地山のトンネルニ次覆工の設計 西松建設技朝VOL．20
bq妙
∴−−−−∴‥− ￣￣「■
㌔ト＿＝ニー
上段＝本坑支保工変状状況
保愛状（上半・トト） −●1
4．Om現状 支保変状0．5m
仮インハ■一一変状 上半文保圧壊12．0。〔
†￣半支保工変状 上半友保I」変抹 →−、■
2．5m 2．Om l l
仮イン八■←ト変
l．〔汀n
《∴．．．
至支配縫い返し完㌫†宣。j。汗強吹で喪保主補強
補強吹付0．5mt下面）
2軸l冒：：圭山山
，H 世U」〕n 増。5m
森衝材設直 」 ＿ 」
5．OrIl 下段＝変状対策状況
下半支保l二補強5＿Om（ト200） 、 − 一一−
下半文保工縫い返L 増枠4軸伽H￣】50
榔貼付 。基＠伽H＿
至ニ
トー ヒ
」知L ユ1餌L
「＿聖
ピ墜賢二莞讐埜
上半支保工変状
ミ∴＿￣∴∵ 地紋主人（第 地軌主人（第個
）
卜半土保】＿蛮状Ⅲm ■− −
−1：1■∴一票ごこ」＿
上半左側縫い返し
上半文保工縫い返LO血．
支保工補鮎5m（［．】200）■支保土補鮎．叫［＿200，D25）下半文保1薫い
支保工補強3・5m（蝉補強（ト200）㈹m 下半甜掛 牒
山け里川U」⊥u⊥1山 増枠8基＠0−5m増枠8基＠0・5m
増枠2基＠0．5m支保工縫い返し35m
速 皿 卜縫 いー十︑J 促L 工
上半左側縫い返 木枠・増枠縫い返し25m
∴Ll＝⊥止山 ＝ ＝ ＝ u
三次友促1三度＠0．5m（150H） 三次支保8基＠t5Tll（15OH）
図−2 縫い返しl刈間の支保変状及び変状対策
3即、620nも3卿6仰 65脚
66qm 32仰670㌔8脚 69脚3水巾620態抑 640m 65脚 66抑 3氷巾釘0巾 6び叩、69脚
弥m69肌FO叩 710巾 7が岬−1肇脚 74脚 75叩 32仰76叩
覆工厚30〜25cm 霜工厚25〜20cm 存工厚20〜 Cm
図−3 縫い返し範囲展開図
存工厚さ30〜20cm 存工厚さ20〜 Cm レールレベルを120mm下げた場合
原設計の場合
②対象区間の二次商工断面を卵形とする．
③二次覆工は最小巻惇20cmを確保する．
本報は，当工事の最終局面である￣二次覆工の構築に際 し，縫い返し延長を大きく減少させることをしj的として，
最小巻厚20cmの二次覆工が巻厚30cmの二次覆工耐）」と 同等となるように，その構造を検討した結果を報告する．
§2．検討条件
2−1検討方針
検討は図−4に示すフローにしたがって行った．一次
覆t・二次商工部材を，それぞれ弾性骨組み構造物とし
て取り掛、，折れ線近似モデルでモデル化した．図一5 に検討断面図を示す．一次覆工，二次覆工ともに単独で 図−4 検討フロー図膨張性地山のトンネルニ次覆工の設計 西松建設技報∨OL．20
取り扱ったが，とくに二次商工については，以下の理由 により単独で取り拭うことが適切と判断した．
①対象区間の変位は収束しており，地【J」は安定状態に ある．掘削時に発生した大きな変位は，L半掘削後
〜卜半切羽到達までの間に大部分が発生している．
②一度応力解放が完了していること．縫い返し断面の
切り拡げ面積は内空断面積に比べて小さいこと等か ら，縫い返し彼の変位は小さいと考えられる．
③縫い返しによる変位の収束後は，縫い返し前と同様 に地山の状態が保持できるものと考えられる．
④・次覆tの変位が収束して地山が安定状態にある場 合は，二次覆工に作用する荷重は少なく，二次覆1二 は化粧巻きとしての性格が強い．
2−2 一次覆工支持荷重の検討
対象区間の 一次覆工は，増吹・増枠を施した箇所が大 部分である．このような状況下の 一次商工は，大きなひ ずみが蓄積された状態にあるため，鋼製支保工・吹付け
コンクリートの応力度が限界状態にあるものと考えた．
本検討では，以下の項目をパラメータとした．
①側圧係数片＝0．4−1．2
⑳吹付けコンクリートと鋼材の弾性係数比乃＝10〜40 二卦作用荷重P。＝50〜200tf／m2（0．5〜1．96MPa）
荷電図を図−6に示す．
解析結架から，着目応力度に相当する作用荷重を求め，
鋼製支保工と吹付けコンクリートが同時に限界状態とな るときの側圧係数及び弾性係数比を把握した．
2−3 二次覆工の検討
巻惇20cmの∴次覆工の構造検討を行う際には，図−7 に示すように，荷重の増加に伴う断面内の応力状態とし
て4段階を仮定した．
①状態Ⅰ
コンクリートの引張応力度が設計引張強度を超えな い状態．この状態では断面内にクラックが発生しな いため，全断面有効である．
∬・書ノ
図−6 荷重図
〔鉄筋断面〕
〔無筋断面〕
（7√
け′
（≦♂′d）
れイ≦げ√〟
げ／
（≦げ′d）
［項重工二二］
れイ≦♂。J
葺〃
引張領域の抵抗は
無視する
（注）中立軸は中心線より上には いかないものとする，
楕■効断面を少なくとも上々は
（注）中立軸の位置は無筋 断面と異なり，中心線
よl）上でもよい．
確保する） t状態Ⅳl
図−7 二次覆工断面内の応力状態 図−5 検討断面図
膨張性地山のトンネルニ次渾工の設計 西松建設技報VOL．20
②状態］
コンクリートの引張応力度が設計引張強度を超えた 状態．この状態では，断面引張端部にクラックが発 生し有効断面が減少する．この場合には，圧縮縁の 応力度が設計圧縮強度を超えないことが条件である．
③状態Ⅲ
鉄筋補強断面で断面内に発生するコンクリートの引
張応力度が設計引張強度を超え，引張倒の鉄筋が降 伏点に達した状態，または，状態Ⅱと同様に圧縮側の
コンクリート応力度が設計圧縮強度を超えない状態．
④状態Ⅳ
圧縮側のコンクリート応力度が設計基準強度に達し て破壊する状態．このときひずみの増加とともに応
力度が低下し，断面力の釣り合い状態が維持できなくな るため圧縮破壊する．
この仮定の下に，巻厚30cmの各段階における耐力を求 め，同等の耐力となる巻厚20cmのコンクリート強度及び 鉄筋補強等につtlて検討を行った．この結果から，二次 覆工に要求する状態を設定することによって，巻惇20cm の構造が決定できるものと考えた．
§3．検討結果
3−1 一次覆エ
（1）弾性係数比〝＝20を一定とした場合
弾性係数此を柁＝20としたときに，側圧係数を膜0．4〜
00 00 00 00 ㈹ 00 00 00765432
︵篭U＼芯草b 頻々導㊥ト劇彊
醐 Ⅷ ㈱ 珊 ㈹ 珊 踊 ㈹
︵z∈U＼葛呈しb 堪只増ゃケ斗︑蝶36 50 髄 83 97100 鉛直荷重 几（肘m2）
班 別 鑓 100133 150
2（氾
鉛直荷重 且（ぱ／m2）
㈱ 00 5 4 ︵N∈U＼芯酋占
︵N∈U＼琶号b⁝讐ヒヨニュ蒜 ㈱ ㈱ 4 3
洲 州 側
堅く遥時下胡蝶肘 100
鉛直荷重 凡（也／m2）
4650 60 506270
甜100 14 50 200
鉛直荷重 几（げ／m2）
図−8 鉛直荷重と応力度の関係（月＝加の時）
表−1支持荷重（刀＝別の時）
単位：tf／m：（MPa）
図一9 鉛直荷重と応力度の関係（茸＝0．8の時）
表−2 支持荷重伏±0．8の時）
単位：tf／mZ（MPa）
側 圧 係 数 0．4 0．6 0．8 1．0 l，2
支 吹付けコンクリート 68 97 83 50 36 持 荷
弾性係数比 10 20 30 40
支 吹付けコンクリート 64 83 99 133 持 荷
膨張性地山のトンネルニ次渾工の設計 西松建設技報VOL．20
1．2の範囲で変化させ，吹付けコンクリートおよび鋼製支 保工に発生する応力度を求めた．鉛直荷重と応力度の関 係を図−8に，これより得られた支持荷重を表−1に示 す．
これより，鮪0．6の時に支持荷重が最も大きく，これを 境にして小さくなることが分かった．また，片＝0．8の時 に吹付けコンクリートと鋼製支保工の支持荷重がほぼ等
しくなることが分かった．これより以下の検討では，鉛 直荷重を有効に支持できる∬＝0．8を用いることとした．
（2）側圧係数鮪0．8を一定とした場合
側圧係数を∬＝0．8とした時に，弾性係数比を邦＝10〜40 の範囲で変化させ，吹付けコンクリート及び鋼製支保工 に発生する応力度を求めた．鉛直荷重と応力度の関係を 図−9に，これより得られた支持荷重を表−2に示す．
これより，犯＝20とした時の支持荷重が最も大きくなる ことが分かった．
（3）一次覆工の支持荷重
これらの結果を総合すると，側圧係数がg＝0．8で，弾 性係数比が循＝20の時に，一次覆工が支持可能である鉛直 荷重は最大となり，その値は83tf／m2（8．14MPa）とな
った．したがって，二次覆工検討時の荷重条件として，
側圧係数を斤ニ0．8に設定することとした．
3−2 二次覆工
二次覆工の検討は以下の手順で行った．
①二次商工（巨30cm）の支持荷重を求める．
二次覆工の応力状態として以下の3とおりを考えた．
a）状態Ⅰ：二次覆工にひび割れを発生させない状態．
b）状態Ⅱ，Ⅲ：ひび割れは発生するが圧縮側のコンク リートは設計圧縮強度を超えない状態（状態］）．
または引張側の鉄筋の応力度が降伏強度を超えない
状態（状態Ⅲ）．
c）状態Ⅳ：圧縮側のコンクリートが設計基準強度に達
した状態
②二次覆工（f＝20cm，無筋）の構造検討を行う．
コンクリートの強度を上げることによって，仁30cm の場合と同等の耐力を有する構造とする．
③二次覆工（オ＝20cm，鉄筋補強）の構造検討を行う．
コンクリートの引張領域に鉄筋を配筋して，f＝30cm の場合と同等の耐力を有する構造とする．
（1）二次覆工（t＝30cm）の支持荷重
側圧係数をメ仁0．8とした時の支持荷重を求めた．
検討は以下の手順で行った．
（享二）断面に任意の鉛直荷重を作用させたときに，コンク リートに発生する応力度を求める．
②鉛直荷重とコンクリートの応力度の関係をグラフ化
する．このとき，圧縮応力度は状態］，ⅢおよびⅣが 対象となるため，引張側の抵抗を無視して求めた．
③各状態ごとに設定強度を超える時の鉛直荷重を導く．
この荷重を二次商工（f＝30cm）の支持荷重とする．
なお，各状態ごとの設定強度は以下のとおりとした．
状態Ⅰ
設計引張強度3） d，d＝12kgf／cm2（1．18MPa）
状態］，Ⅲ
設計圧縮強度3） 6cd＝138kgf／cm2（13．5MPa）
状態Ⅳ
設計基準強度 6ck＝180kgf／cm2（17．7MPa）
検討より得られた鉛直荷重と応力度の関係を図−10に，
各状態ごとの支持荷重を表一3に示す．
（2）二次覆工（f＝20cm，無筋）の構造検討
二次覆工（f＝20cm，無敵）に（1）の検討結果から得
られた支持荷重を作用させた時に発生する応力度を求め た．このとき，各状態ごとの支持荷重に対して，応力度 が設定強度を満足することができるコンクリート強度（設 計基準強度）を導いた．
なお，応力度の算定時には，状態Ⅰは全断面有効とし，
状態］，ⅢおよびⅣは引張倒の抵抗を無視して行った．
各状態ごとの支持荷重における，発生応力度と設定強 度との比率を図−11に，各コンクリート強度において発 生する応力度の一覧を表−4に示す．
0 0 0 ﹁〇 3 2 ︵知己U＼嘗冒︐聖霊石下盟竿エ1r一へヽn 00 50 1
0
2530
50 59 7吉7 100鉛直荷重 凡（ぱ／m2）
囲−10 原設計のコンクリート応力度
表−3 各状態ごとの支持荷重
単位：tum2（MPa）
応力状態
状態Ⅰ 状態［ 状態Ⅲ
支持荷重 30 59 77
（0．29） （0．58） （0．76）
膨張性地山のトンネルニ次覆工の設計 西松建設技報∨O」．20
（3）二次覆工（f＝20cm，鉄筋補強）の構造検討 二次覆工（J＝20cm，鉄筋補強）に（1）の検討結果か
ら得られた支持荷重を作用させた時に発生する断面力に
対して，鉄筋で補強した場合の検討を行った．
鉄筋は，施工可能であると思われる位置（d＝13cm，
d＝15cmの2とおり）にD13＠200で配筋することとした．
なお，応力度の算定時には状態Ⅰは全断面有効とし，
また状態［，ⅢおよぴⅣは引張側の抵抗を無視して行った．
各状態ごとの応力度算定結果を図−12に示す．
（4）二次覆工（f＝20cm）の構造の決定
検討結果をまとめると以下のとおりとなった．
①無筋構造の場合
断面内に引張クラックを許容しない状態Ⅰの場合には．
設計基準強度が0・ck＝1000kgf／cm2（98．1MPa）程度のコ ンクリートを用いる必要があることが分かった．また，引 張クラックを許容して，断面内のコンクリート仕縮応力 度に着目した状態ⅡおよびⅣの場合には，設計基準強度 が6ch＝400kgf／cm2（39．2MPa）程度のコンクリpトを川 いる必要があることが分かった．
②鉄筋補強構造の場合
鉄筋による補強を行った場合，コンクリートの応力僅
2．0
1〜弓7
一 三 ヒヒ
1．5
0 2530 50 状態Ⅰ
75 1〔附
鉛在荷屯月（げ／mり
表−4 各コンクリート強度ごとの発生応力度
状態Ⅰ：鉛直荷重30tf／m2（0．29MPa）
単位：kgf／cm2（MPa）
設計基準強度 180 240 300 900 1000
（17．7） （23．5） （29．4） （88．3） （98．り 12 16 17 36 38
設計引張強度 （1．18） （1．57） （1．67） （3．53） （3．73）
106 108 110 116 117
圧縮応力度 （10．4） （10．6） （10．8） り1．4） （11．5）
26 28 30 37 38
引張応力度 （2．55） （2．75） （2．94） （3．63） （3．73）
判 定 N．G． N．G． N．G． N．G． 0．K．
0 25 50 59 状態Ⅰ
75 100 鉛L両町重月（tf／m2）
状態Ⅱ：鉛直荷重59tf／mユ（0．58MPa）
単位：kg批mヱ（MPa）
設計基準強度 180 240 3（X） 400
（17．7） （23．5） （29．4） （39．2）
設計圧縮強度 138 185 2二il 308
（13．5） （l臥l） （22．．7） （30．2）
227 235 244 252
圧縮応力度 （22．3） （23．0） （23．9） （24．7）
判 定 N．G． N．G． N．G． 0．K．
状態Ⅳ：鉛直荷重771〃mコ（0．76MPa）
単位：kgf／em2（MPa）
設計量準強度 180 240 3（氾 4（X）
（17．7） （23．5） （29．4） （39．2）
295 306 316 327
圧縮応力度 （2臥9） （30．0） （3l．0） （32．1）
判 定 N．G． N，G． N．G． 0．K．
7577
100 鉛l軒荷車∴R拇／m2）0 25 50
状態Ⅳ
図−11発生応力度と設定強度の比率
膨張性地山のトンネルニ次覆工の設計 西松建設手支報∨O」．2D
状態I：鉛直荷重 30tf／m2（0．29MPa）
単位：kgUcm2（MPa）無筋コンクリート 鉄筋コンクリート（D13 ＠200）
げ√（＝117k靡／cmり げ「（＝117kg〃cm2） げ。（＝117kgf／cm2）
応力分布図
けど肌α∫ 117（11．5） 117（11．5） 117（11．5）
♂r椚わi −38（−3．73） −38（−3．73） −38（−3．73）
度
け5 79（7．75） 5（0．49）
必要強度げr々 1000（98．1） 1000（98．1） 1000（98．1）
状態］：鉛直荷重 59tf／mご（0．58MPa） 単位：kg〃cm2（MPa）
無筋コンクリート 鉄筋コンクリート（D13 ＠200）
仇（＝252kが／cmり ♂（（＝252kgf／cm2） J （＝248kgf／cm2）
l
∈ ∈
嵐 ＿ ＿＿
応力分布図 ／ ′ノしし申立垂虹 ′ 屋 l
／
／
／
／
／ ／
ノ ／
／
／ ′
応 げr椚α∫ 252（24．7） 252（24．7） 248（24．3）
力 け√〃‖〃 0（0．00） 0（0．00） 0（0．00）
度
♂s 69（6．77） 290（28．4）
必要強度け。鳥 400（39．2） 400（39．2） 400（39．2）
状態Ⅲ：鉛直荷重 77tf／m2（0．76MPa）
単位：kg批正（Mfh）無筋コンクリート 鉄筋コンクリート（D13 ＠200）
げ√（＝327kが／cm2） Ll，（＝326kgf／cm2） げ√（＝322kgf／cm2）
b ≡ Lノ l＿∠つ 苛ヨニ‡芸イ
応力分布図 ／
′
ノ′しせ亘塑 ノ
ノ ／
ノ ／
／
′ ノ
♂r椚〟∫
応 327（32．1） 326（32．0） 322（31．6）
力 げr血′J 0（0．00） 0（0．00） 0（0．00）
度
♂5 73（7．16） 359（35．2）
必要強度げr々 400（39．2） 400（39．2） 400（39．2）
図−12 鉄筋補強応力度照査結果
膨張性地山のトンネルニ次帝工の設計 西松建設技報VOL．20
を低減するどころか，逆に増加する傾向にあることが分 かった．これは，施工可能位置に配筋した場合，応力状 態が引張となる領域に配筋できないため，鉄筋が有効に 作用していないためであると考えられた．
したがって，鉄筋補強をした場合には，コンクリート の強度も増加させる必要があるため，有効な補強とはな
らないことが分かった．
③本検討の結論
対象区間の二次覆工は，圧縮強度の大きいコンクリー トを使用することが望ましいと考えた．このとき，引張 クラックを許容しない場合には，非常に大きな設計基準 強度が必要となる．このため，有効断面が最低でも1／2を 確保できる範囲内でクラックの発生を許容し，コンクリ
ート強度を6ck＝400kgf／cm2（39．2MPa）とすることが ふさわしいと考えた．
50 40 30 20 10
︵竜じも古堪く垣壕lm
100 200 300 400 500
引張ひずみ（×1が）
図−13 SfⅥCの引張強度一ひずみ曲線の例
§5．おわりに
鍋立山トンネルは，昭和48年12月に工事を開始して以 来，途中工事中断期間が約3年あったが，竣工までに21
年間という非常に長い時間を要した．膨張性泥岩の押し
出し，小さな地山強度比，高圧の潜在ガス等の厳しい地 山条件は，施工開始前にはだれも予測できなかったと思 われる．長い年月の間に行われてきた数えきれないほどの闘い の最終局面である縫い返しおよび二次覆工打設等の作業
も無事完了し，平成9年3月21日に北越北線の1番列車
が通過した．しかし，国土有効利用の面から見れば，こ のような困難を伴うトンネルの施工は今後も回避できな い課題であると考えられる．最後に，本工事の設計・施工にあたって御指導，御尽 力を頂いた日本鉄道建設公団の方々をはじめ，関係各位 に深く感謝する次第である．
§4．実施工への反映
巻厚20cmの断面で引張クラックを許容した場合には，
6ck三400kgf／cm2（39．2MPa）のコンクリートを用いる ことによって，巻厚30cmの断面と同等の耐力となること が分かった．しかし，コンクリートにクラックを許して
しまうことは，トンネル構造物の長期の安定を考えた場 合には好ましくないと考えた．そこで，SFRC（鋼繊維補 強コンクリート）の適用を考えた．SFRCが従来のコンク
リートに比べて優れている点は，以下のとおりである．
①ひび割れに対する抵抗性が大きいこと．
②ひび割れが生じた後も繊維が引き抜かれつつ外力に 抵抗するため，材料として軌性が大きいこと．
③コンクリートの引張強度，曲げ強度，圧縮強度なら びにせん断強度が改善されること．
④凍結融解作用に対する抵抗性が著しく高いこと．
（萱滴寸摩耗性が高いこと．
とりわけ，ひび割れ発生後の引張変形特性は非常に優 れていると言える．一旦発生したクラック幅の拡大を抑 制する効果があるとともに，クラックを分散させる効果 が期待できるものと考えた．園一13にSFRCの引張応力 度−ひずみ曲線の例を示す．
これを踏まえて，実施工においては6c鳥＝400kgf／cm2
（39．2MPa）のコンクリートに鋼繊維を0．8％混入した SFRCを使用した．
参考文献
1）鉄道総合研究所：鉄道構造物等設計基準・同解説コ ンクリート構造物，平成4年．
2）鉄道総合研究所：鉄道構造物等設計基準・同解説 鋼・合成構造物，平成4年．
3）土木学会：コンクリート標準示万苦【平成3年版】
設計編，平成3年．
4）日本トンネル技術協会：スチールファイバーコンク リートに関する調査研究報告書，昭和55年．
5）西松建設株式会社：北越北線鍋立山トンネル工事 記録，平成8年．
6）西松建設株式会社：北北，鍋立山T（中）他6，本 坑支保縫返し施工計画，平成6年．
7）西松建設株式会社土木設計部：本坑切り拡げ断面に おける支保部材の検討，昭和63年．
